船体带孔甲板的稳定性【开题报告】.doc

1、毕业论文开题报告 船舶与海洋工程 船体带孔甲板的稳定性 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1. 船体结构的国内外研究动态 在船舶发展过程中，船体结构在其所用的材料、构建的连接方面等方面，曾有过几次大的改革。最早的船是独木船结构，后来发展到使用木板和梁材组合的结构。 18 世纪，随着冶金工业、机械制造业的发展，开始出现铁质和铁木混合结构的船舶。 19 世纪后半期，进一步采用低碳钢来造船，钢质结构的船舶便逐渐替代了木船和铁木混合结构船，而钢材便成为造船的主要材料。近几十年来，随着船舶尺度的 加大，开始采用高强度钢造船，使结构构建尺寸减小，从而减轻了结构质量，钢材的应用使造船技术发

2、生了一次飞跃。从 20 世纪 30 年代开始，焊接造船代替了铆接造船。与铆接相比，焊接能使船体结构更完整、更亲密、质量更小，因此目前钢船都采用焊接方式造船。 近年来，船舶行业发展迅猛，主要原因有运输能力强、经济性能好等优点。而船体结构必须具有足够的强度。正确地评估船舶在设计制造和使用过程中的结构强度，有助于有效利用材料，减轻船体结构重量，降低建造成本，增加装载能力，从而提高船舶的经济性和安全性。随着运输业的不断发展，船体的稳 定性成为大家关注的焦点。稳定是指船受外力作用离开平衡位置而倾斜，当外力消失后，船能回复到原平衡位置的能力。而甲板是船体的重要构件，是船舶结构中，位于内底板以上的平面结构，

3、用于封盖船内空间，并将其水平分割成层。甲板是船梁上的钢板，将船体分隔成上、中、下层。甲板是由板与骨架构成，对保证船体强度及不沉性有重要作用，而且提供了布置各种舱室、安装武器装备和机械设备的面积。为了制造、检查或是减轻重量的需要，通常在甲板上开孔，这些开孔的存在不可避免的会导致船体的力学性能的变化，严重情况下可能会大大降低船体的承载能力。 2. 选用有限元法分析船体带孔甲板的稳定性 60 年代出现的有限元法是把弹性体离散为有限个单元，即认为弹性体是有限个单元的组合体，对每个单元用能量法的思想来求位移与力之间的关系（即求单元的刚度矩阵），再借助于电子计算机计算。因而有限元法是一个基于变分原理的把连

4、续体离散化的数值解法，它可以方便地解决复杂的结构形式及复杂载荷及边界条件等问题，亦能处理非均匀材料及非线性应力与应变状态的结构问题。下面介绍几个概念。 （ 1）结构的离散化 有限元法将结构离散为有限个单元。对于二维的平面结构就是将它分为有限个平面单元，这种平 面单元可以是三角形的或是四边形的，或三角形、四边形的均有，单元的顶点称为“节点”。 （ 2）单元的位移函数 有限元法采用的计算方法是位移法。计算时以各单元的节点位移为未知数。对于平面问题，每个节点有两个位移，故每个节点有两个自由度，相应地有两个由节点位移引起的节点力，并需建立单元节点位移与节点力之间的关系，即求出单元的刚度矩阵，为此就要寻

5、求平面单元的解。由于三角形或四边形的平面单元的解用弹性理论的方法求解较为困难，所以采用能量法，选择一个单元位移的形状函数或位移函数，再用虚功原理求出单元的刚度矩阵。 （ 3）分 布外力的移置 有限元法是以节点为对象建立平衡方程式，因此若单元上有分布外力（包括边界力与体积力）均需以等效做功的原则将它移置到单元的节点上去。这种移置的力实质上相当于矩阵法作用于节点的固端力，但求力的方法有所不同，并且在有限元法的计算图形中外力将全部以节点力的形式出现。因此，有限元法中的外力移置的原则是静力等效，方法是应用虚功原理。 （ 4）位移函数 有限元法对位移函数的选择要求满足如下的收敛准则： a）位移函数要在单

6、元中连续，在边界上保持位移协调； b）位移函数应能包括单元的常位移（刚体位移）； c）位移函 数必须能反映单元的常应变状态。 满足以上第一条件的单元称为“协调元”，满足第二、三条件的单元称为“完备元”。对于协调、完备元可以证明随着网格的细密，有限元法的解将是收敛的，但实际上计算表明采用完备的非协调元解答也是收敛的，所以非协调元也有应用。 3. 选题的意义 船体结构中有不少受压的构件，除了明显受压的各种支柱以外，就是船体纵向布置的骨架和板。这是因为船在波浪上发生总弯曲时，纵向的骨架和板都要受到拉力和压力，在受压的情况下都有可能失去稳定性。 由于一般船舶的船底结构比甲板结构要强，整个船体梁剖面的中

7、性轴距 船底近，距甲板远，因此甲板骨架和甲板板失稳的可能性比船底的要大得多。到目前为止，已有不少由于甲板结构失稳而引起船舶破坏的实例，因此研究稳定性问题对保证船体强度有十分重要的意义。近年来，随着造船中高强度钢的应用，使得构件断面的尺寸可以减小，而失稳的可能性就增大，于是保证这种高强度钢构件的稳定性也就显的更加重要。 所谓甲板板架通常是指由甲板纵骨与横梁组成的纵骨架式船的甲板板架。这种板架在船体总弯曲的压力作用下，有可能整体丧失稳定性。 研究结构的稳定性就是需要求出结构的临界压力或临界荷重，临界荷重取决于结构的尺寸 、形式和材料，是一个结构的固有值，将临界荷重与结构实际的工作荷重相比，就可以判

8、断船体的结构是否会失去稳定性。 临界荷重是结构处于临界状态的荷重。要判断一个结构是否处于临界状态，我们需要给结构一个微小的偏移（或干扰）；如果结构在偏移位置不能平衡而要回到原处，则结构原来的平衡位置是稳定的，相应的荷重必小于临界荷重；如果结构在偏移位置不能平衡但不复原而有继续加大变形的倾向，则结构原来的平衡位置是不稳定的，相应的结构荷重必大于临界荷重；如果结构在偏移位置能保持平衡，则结构原来的平衡位置是中性的，此时结构的荷重就等于 临界荷重。因此，子结构的中性平衡位置就是结构的临界状态，中性平衡位置相应的荷重就是临界荷重。为此，在研究过程中，我们只需要假设船体结构处于中性平衡状态，即结构获得小

9、偏移时的平衡状态，满足此条件的最小荷重即为临界荷重。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 ： （ 1） 学习研究多种方法计算船体带孔甲板的稳定性方法，确定使用有限元法实现的总体方案； （ 2） 熟悉有限元法和通过有限元法计算的原理； （ 3） 参考资料，编写计算方程式，并使用有限元法计算出临界值。 三、研究步骤、方法及措施： 本设计是在学习了 船体稳 定性的原理、多种计算方法的基础上，确定出基于有限元法计算的实现方案，然后运用有限元法的计算思路，同时结合位移法和能量法计算，从而完成对船体带孔甲板稳定性的研究。 四、参考文献 1魏莉洁 .船体结构 M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社 .2005.

10、1 2聂毓琴 ,孟广伟 .材料力学 M.机械工业出版社 .2009.2 3李平书 ,严家文 ,任鸿 .船舶结构有限元模型快速生成研究 J.交通科技 .2001.6 4李兵 ,刘从军 ,梅永娟等 .大型舰船甲板结构模态的有限元分析 J .华东船舶工业学院学报（自然科学版 ） .2005.1 5王瑁成 .有限元法 M.北京：清华大学出版社 .2003. 6孙滢 ,张春辉 ,秦远珍 .舱盖结构的有限元分析 J.贵州工业大学学报 (自然科学版 ).1999.6 7 冯从泉 .有限元法在船舶检验工作中的应用 J.南通航运职业技术学院学报 .第 9卷第 2 期 .2010.6 8 袁晓金，段志梅 .在 MSC_Patran 中的单位制转换 J.红河州综合技术检测中心 .2010.6 9 李雪良 .船体板的屈曲和极限强度分析 D. 武汉理工大学 .2004 10 王勇，严仁军 .船体结构有限元 分析中的浮态自动调整方法 J. 船海工程 . 2003.5 11 Zhang Ying-shi,Zhang Xing. Analytical solution of restrained torsional stresses and displacement for rectangular-section box bar with hontycomb coreJ ,2004